墩底設置無黏結鋼筋鐵路重力式橋墩抗震性能研究

魯錦華，陳興沖，丁明波，馬華軍，張熙胤

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070）

我國鐵路重力式橋墩的配筋率普遍較低，主要是由于其截面尺寸大，且僅配置護面鋼筋?，F有研究發現配筋率較低的鐵路重力式橋墩破壞時呈現出脆性破壞的特征。鞠彥忠等［1-2］對配筋率為0.1%和0.2%的鐵路重力式橋墩進行的試驗研究發現，隨著配筋率的增加，橋墩的破壞狀態從脆性逐步向延性過渡。蔣麗忠等［3］和趙冠遠等［4］的研究還發現，低配筋率高速鐵路重力式橋墩的位移延性系數均小于規范規定的限值。作者在研究配筋率對鐵路重力式橋墩抗震性能的影響時發現，采用光圓鋼筋橋墩的極限位移明顯比采用螺紋鋼筋橋墩的大［5］，其原因是光圓鋼筋與混凝土間的機械咬合力小，在循環荷載作用下鋼筋與混凝土間的黏結滑移位移較大，鋼筋的總伸長量相比于螺紋鋼筋有明顯的增加，導致了橋墩產生較大的位移且鋼筋不發生斷裂。為改善低配筋鐵路重力式橋墩的延性抗震性能，本文提出了在墩底設置無黏結鋼筋的設計方案，以增大鋼筋的伸長量提高橋墩的極限位移。

目前對于無黏結鋼筋的使用主要集中在體外預應力加固［6-7］、節段拼裝橋墩［8-9］和搖擺自復位橋墩［10-12］中。另外，Pandey 等［13］研究了建筑中鋼筋混凝土柱設置無黏結鋼筋對其抗震性能的影響。但是低配筋率鐵路重力式橋墩的破壞特征與鋼筋混凝土柱有著本質的區別，二者在設置無黏結鋼筋后對其抗震性能的影響是否一致，在墩底設置無黏結鋼筋對低配筋鐵路重力式橋墩的抗震性能有何影響，目前均尚無研究。

本文設計4 個模型橋墩，通過擬靜力試驗，研究墩底設置無黏結鋼筋低配筋率鐵路重力式橋墩的抗震性能。

1 模型試驗概況

1.1 試件設計

為了研究墩底設置無黏結鋼筋對低配筋鐵路重力式橋墩抗震性能的影響，設計了M1，M2，M3和M4 共4 個模型橋墩，墩高125 cm，截面長和寬分別為36 和25 cm，縱向鋼筋直徑8 mm，箍筋間距10.3 cm，箍筋直徑6 mm，M1 和M2 分別為配筋率0.2%和0.3%的縱向鋼筋完全黏結橋墩（簡稱完全黏結橋墩）；M3 和M4 分別為配筋率0.2%和0.3%、墩底17 cm 范圍內縱向鋼筋與混凝土無黏結的橋墩（簡稱無黏結橋墩），縱向鋼筋與混凝土無黏結段用PVC 管包裹，用環氧樹脂膠密封?；炷翞镃30，軸壓比均為6.0%。模型橋墩構造和鋼筋布置如圖1所示，試驗中實際加工的橋墩鋼筋骨架如圖2所示。

圖1 4個模型橋墩構造和鋼筋布置（單位：cm）

圖2 試驗中實際加工的橋墩鋼筋骨架

1.2 加載及測量裝置

試驗加載通過液壓千斤頂在墩頂施加水平往復荷載，豎向荷載通過反力梁和2 根精軋螺紋鋼進行施加。加載過程中墩頂的水平荷載和位移通過計算機控制系統記錄，試驗加載裝置如圖3所示，現場加載裝置如圖4所示。

圖3 試驗加載裝置

圖4 現場試驗加載裝置

1.3 加載制度

試驗加載制度按照JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗方法規程》的規定進行設定，選用位移加載控制制度。從1 mm 開始逐級遞增，15 mm 之前，增幅為2 mm，15 mm 之后，增幅為5 mm，每級加載3次，直到橋墩達到極限破壞狀態。

2 試驗現象及結果

2.1 試驗現象

橋墩的最終破壞狀態如圖5所示。由圖5可以看出：M1 橋墩破壞時出現2 條裂縫，墩底1 條裂縫，在距離墩底20 cm 處出現第2 條裂縫，墩頂位移加載到35～40 mm 時鋼筋拉斷，且混凝土未出現明顯的壓碎；M2 橋墩破壞時出現3 條裂縫，墩底1 條裂縫，在距離墩底25 和39 cm 處分別出現第2 條和第3 條裂縫，墩頂位移加載到40～45 mm 時鋼筋拉斷，混凝土未出現明顯的壓碎；完全黏結橋墩的破壞為墩身出現多條裂縫，且隨著配筋率的增加，橋墩的裂縫不斷增多，橋墩的破壞區域不斷增大；無黏結橋墩M3和M4破壞時均僅在墩底產生1條裂縫，其余墩身均未出現裂縫，墩底裂縫貫通后，墩身與基礎之間僅通過縱向鋼筋連接，加載過程中表現出了自復位橋墩的特性。

圖5 試件最終破壞狀態

可見，墩底無黏結鋼筋的設置改變了橋墩的破壞特征，僅在墩底形成1條貫通裂縫，區別于鋼筋完全黏結橋墩墩身出現多條裂縫的破壞特征。

2.2 試驗結果

試驗測得的墩頂水平力與位移的滯回曲線如圖6所示。取滯回曲線每個循環的峰值點，得到模型橋墩的骨架曲線，不同配筋率下完全黏結橋墩和無黏結鋼筋橋墩骨架曲線如圖7所示。

圖6 橋墩滯回曲線

圖7 橋墩骨架曲線

由圖6可以看出：配筋率為0.2%的橋墩墩底鋼筋是否完全黏結鋼筋對滯回曲線的形狀影響較小，當配筋率達到0.3%時，無黏結橋墩的滯回曲線比完全黏結橋墩的“捏縮”效應明顯。隨著配筋率的增大，墩底設置無黏結鋼筋會增加橋墩的“捏縮”效應。

從圖7可以看出：相同配筋率下無黏結橋墩比完全黏結橋墩的極限位移有顯著的提高；加載初期（墩頂位移小于15 mm），相同加載位移作用下，墩底設置無黏結鋼筋對橋墩的承載能力影響較小，主要是由于加載初期，墩底變形較小，相應的鋼筋變形較??；隨著加載位移的增大，墩底裂縫寬度增大，主要受力部位鋼筋產生較大的變形，無黏結橋墩的承載力與完全黏結橋墩出現差別，比完全黏結橋墩的承載力略低，降低值在5%以內，說明墩底設置無黏結鋼筋對橋墩的承載能力影響較小。另外，無黏結橋墩的承載力隨著加載位移的增大下降非常緩慢，橋墩在較大的加載位移下，承載力也未見明顯的下降，說明墩底設置無黏結鋼筋在有效增加極限位移的同時可確保橋墩的承載能力。

3 橋墩抗震性能

3.1 剛度退化

橋墩的剛度退化主要是由混凝土開裂及鋼筋屈服造成的。從滯回曲線中可見，隨著加載位移的增大橋墩的剛度在不斷地減小。為了能直觀地反映橋墩剛度在荷載作用下的變化情況，引入割線剛度的概念，具體計算式［14］為

式中：±Fi為第i次加載循環荷載下的正、反最大荷載值；±Δi為峰值荷載所對應的位移。

根據圖7，采用式（1）計算得到4個模型橋墩的剛度退化曲線如圖8所示。

圖8 橋墩剛度退化曲線

由剛度退化曲線可以看出：無黏結橋墩的剛度退化趨勢與完全黏結橋墩的一致，且相同加載位移下無黏結橋墩的剛度比完全黏結橋墩的剛度略低，最大差為10%。

3.2 位移延性系數

按鋼筋首次屈服計算橋墩的屈服位移，即

其中，

式中：Δy為橋墩屈服位移；φy為橋墩屈服曲率；h為橋墩有效高度；εsmax為縱向鋼筋的屈服應變；d0為截面的有效高度；xc為中性軸距離混凝土受壓側邊緣的距離。

橋墩首次屈服位移延性系數定義為極限位移與首次屈服位移的比值。依據GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》考慮2.5 倍的安全系數，可得到橋墩的容許位移延性系數。極限位移取鋼筋拉斷位移或者鋼筋未拉斷時的加載最大位移。容許位移延性系數的計算結果見表1。

表1 容許位移延性系數

由表1可以看出：相同配筋率下無黏結橋墩的極限位移比完全黏結橋墩有明顯增大；墩底設置無黏結鋼筋可有效提高橋墩的容許位移延性系數，配筋率為0.2%時無黏結橋墩的容許位移延性系數比完全黏結橋墩提高了60%，配筋率為0.3%時提高了40%?？梢?，配筋率越低，容許位移延性系數提高幅度越大，說明墩底設置無黏結鋼筋可有效改善低配筋橋墩的延性性能。

3.3 耗能能力

耗能能力是指結構在地震作用下發生塑性變形而耗散能量的能力，是評價結構抗震性能的重要指標之一。工程抗震設計中一般采用累積耗能定量評定橋墩耗能能力的強弱。計算得到各模型橋墩的累積耗能如圖9所示。

圖9 橋墩累積耗能

從圖9可以看出：當加載位移小于15 mm 時，相同配筋率下是否完全黏結橋墩的累積耗能曲線基本重合，說明小位移作用下，墩底鋼筋是否黏結對耗能影響較小，原因是墩頂加載位移較小時，墩底鋼筋總變形較??；隨著加載位移的增大，2 類橋墩的累積耗能曲線開始分離，相同位移下無黏結橋墩的累積耗能比完全黏結橋墩低，且隨著配筋率的增加，差值有增大趨勢，最大相差10%

4 結 論

（1）墩底設置無黏結鋼筋改變了橋墩的破壞特征，無黏結橋墩僅在墩底形成1條裂縫，墩身均未出現裂縫，區別于完全黏結橋墩破壞時墩身出現多條裂縫的破壞特征。

（2）墩底設置無黏結鋼筋在保證承載能力基本不變的情況下，極限位移增大，有效改善橋墩的延性性能；與完全黏結橋墩相比，無黏結鋼筋橋墩的滯回曲線形狀“捏縮”效應明顯，且配筋率越大，“捏縮”效應越明顯。

（3）鐵路重力式橋墩在墩底設置無黏結鋼筋可以改善橋墩的抗震性能。